太阳能光伏LED在西北地区的应用

天水师范学院毕业论文分类号密级编号本科生毕业论文（设计）题目太阳能光伏LED照明在西北地区的应用作者姓名安芳霞指导教师令维军博士提交日期2010-5-1天水师范学院毕业论文太阳能光伏LED照明在西北地区的应用安芳霞（物理与信息科学学院，天水师范学院,甘肃天水，741001）摘要：系统的介绍了太阳能光伏发电技术与LED照明的工作原理。重点介绍了太阳能光伏LED照明系统。分析了它在西北地区的应用现状，发展优势、前景及其所面临的困难。并针对这些问题引用或提出了相应的解决方案。关键词：太阳能光伏发电LED照明西北地区太阳能资源1、引言从工业革命之后，人们就开始享用电力带来的便利。明亮的灯光驱散了夜的暮色，给我们提供了更多学习，工作，娱乐的时间。然而，迄今为止我国仍有2800多万无电人口，其中有相当一部份居住在边远落后的西北地区。怎样才能给这些地区的人们带去电力的便捷呢？能源耗竭，环境恶化的现状告诉我们，建电厂，架电网的老路子无疑是饮鸩止渴。然而，同样是这些地区太阳辐射强，日照时间长，太阳能资源丰富。所以我们可以运用本文所述的太阳能光伏LED照明技术因地制宜，将这些地区丰富的日照“挽留”。2、从光能到电能的转化将光能转化为电能的装置是太阳能电池。他的制作原理是利用半导体PN结的光生伏电效应。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓等。它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例说明光伏发电的原理。硅晶体中掺入其他的杂质,如硼原子或磷原子时,硅晶体中就会存在着一个空穴或电子,因为硅原子旁边有4个电子,掺入硼原子后,因硼原子周围只有3个电子,所以就会产生空穴,这个空穴因为没有电子而变得很不稳定,容易吸收电子而中和,形成N型半导体。同样掺入磷原子以后,因为磷原子周围有个电子,就会有一个多余电子变得非常活跃,形成P型半导体。在同一半导体两个不同的区域分别掺入三价和五价的杂质元素，便形成P型区和N型区。这样在他们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差异，N型区内的电子多而空穴很少，P型区内的空穴多而电子很少，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。有些电子要从N型区向P型区扩散，也有空穴要从P型区向N型区扩散。电子和空穴带有相反的电荷，在扩散过程中会中和，结果使P区和N区中的电中性被破坏。P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系不能移动称为空间电荷，集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，称为PN结。在空间电荷区，由于正负电荷的作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，该电场是由载天水师范学院毕业论文流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场【3】。图1.1PN结的形成当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子。由于空间电荷区有较强的内电场，因而这些自由电子和空间电荷区中非平衡的电子和空穴或产生在空间电荷区外的非平衡电子和空穴在内电场的作用下各自向相反的方向运动而离开空间电荷区，结果P区电势升高，N区电势降低[6]。从而在外电路中产生电压。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。图1.2半导体的光生伏电效应3、将电能转化为光能19世纪初，英国一位化学家用2000节电池和两根炭棒，制成世界上第一盏弧光灯。标志着人类成功实现了由电能到光能的转化。到目前为止，我们将电能转化为光能的形式随照明光源的发展，共经历了四个阶段：第一代白炽灯，白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态，利用其热辐射而发出可见光的电光源。自爱迪生发明具有实用价值的白炽灯以来已有一个多世纪了，但目前仍然被广泛地使用。原因是它发出的光线具有连续光谱，且显色性好、亮度高、易于聚光、不需要点灯电路、只要接通光源、点灯非常容易等优点。缺点是发光效率低，热辐射量大。第二代荧光灯，荧光灯是一种热阴极低压汞蒸汽放电灯。利用放电产生的紫外线，通过荧光灯粉转换成可见光的光源。荧光灯投入市场已有60多年的历史，迄今为止，仍是气体放电灯中使用最广泛、最成功的灯种之一。其原因是它能最有效地把电能转变成可见光。第三代高强度气体放电灯（High-intensitydischarge，简称HID），HID灯借天水师范学院毕业论文着特殊设计、内部涂石英或铝的灯管，并透过两端钨电极打出来的加压电弧，通过灯管后而发出光线。这些灯管内充满了气体和金属。气体帮助灯泡启动，而金属加热达到蒸发点，形成等离子态后而发出光线。HID灯的种类包括：水银灯（CRI范围15-55），金属卤化灯（CRI范围65-80，陶瓷卤化灯则可达90多），低压钠灯（CRI0，因其单色光），高压钠灯（CRI范围22-75），水银灯泡原本是用来产生碧绿色光线，也是第一颗商用化的HID灯泡。在今日，这些灯泡已经可校正出更接近白色的光线。但水银灯已逐渐被更新型、发光效率更高的高压钠灯和金属卤化灯所取代。标准的低压钠灯在所有HID灯泡中具有最佳的效率，但他们发出的光却是淡黄色的。高压钠灯现在已可以发出较白的光线，但却多少牺牲了些效率。而金属卤化灯效率低但却可以发出更白、更自然的光线。目前，我国的室内照明一般使用白炽灯和荧光灯，室外照明一般采用气体放电灯。这些传统灯具耗能较大，都是在高压的环境下工作，极不安全，既增加了升压逆变环节，又降低了能源的利用率。同时使用寿命也很短，即便是节能灯、气体放电灯的使用寿命也只能达到3000—10000小时。随着固体物理和半导体技术的发展，本文所述的第四代固体光源LED灯弥补了前三代照明光源的不足。LED是半导体发光二极管lightingemittingdiode的缩写。他由一个由P型半导体和N型半导体组合而成，当在PN结上施加正向电压时，PN结中的电子和空穴复合，将多余的能量以可见光的形式释放出来[2]。图3.1LED发光原理不同材料的LED,发光的颜色也不同,碳化硅发黄光或绿光,磺化镓发红光,磷砷化镓发红光和绿光,砷化镓发绿光,用于照明的LED发白光（白光LED是将CaN芯片和钇铅石榴石YNG封装在一起做成的）因白光最接近日光,更能反映照射物体的真实颜色[12]。应用半导体PN结发光原理制成LED问世于20世纪60年代初,20世纪90年代以来,随着氮化稼为代表的第三代半导体的兴起,以及白光LED的研究成功,特别是发光效率在20lm/W（流明/瓦，用以表示一定功率下亮度）以上的白光LED的出现,使实现半导体照明成为可能.与传统光源相比较比LED灯的特点非常明显，首先是寿命长，可长达10万小时，是普通白炽灯的100倍，是三基色荧光灯(节能灯)的20倍。其次是光效高，LED几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80%一90%，，几乎没有光衰。三是节能，由于LED灯的工作特性，可以直接利用太阳能等绿色能源供电，从而减少火力发电所带来的大量天然能源的消耗和环境的污染。此外，LED照明绿色环保无任何高频辐射，不产生汞和有害物质，寿命终止可回收。同时LED照明耐低温，环境使用温度在-40-70℃，体积小，重量轻，坚固，包装运输容易，没有易碎的概念。故LED被认为是21世纪最有价值的新光源,LED照明取代传统照明成为人类照明的主要方式将是大势所趋。天水师范学院毕业论文4、太阳能光伏发电LED照明的优势分析太阳能光伏LED照明是将光生伏电效应原理应用在照明上。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公共电网通过标准接口相连接，像一个小型发电厂。另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。现以独立式发电系统为例分析太阳能光伏LED照明的优势[5]。首先利用太阳能电池将太阳能转换成电能，再通过控制器转存在蓄电池中，当自然光照度降到需要照明时，通过控制器将电能输出给LED照明装置。再用LED照明装置将电能转换为光能。太阳能光伏发LED照明是太阳能光伏发电技术与LED照明的完美结合。其关键是两者同为直流电压，电压低并能互相匹配。太阳能电池图４.１独立式太阳能照明系统将光能转化为直流电能，且电池组件可通过串、并连的方式组和得到实际需要的电压。而LED的工作电流是直流，工作电压[11]为DC1.5一3.5v。所以太阳能电池板无需电压转换系统就可直接串接供电给LED照明系统，从而提高了光伏电池的使用率，降低了成本。同时由于蓄电池对电能的储存使得该系统可以较长时间使用，除非相当长时间无光照致使电池中电能用完时，这个装置才停止工作。所以太阳能光伏发电技术与LED照明的结合可以获得很高的能源利用率（因为两者的结合不需要电压转换系统），较高的安全性（低压）和可靠性，实现节能、环保、安全、高效的照明。5、太阳能照明在西北地区的应用我国的西北地区是主要的无电人口区。通过下文分析可知，我们能够因地制宜来解决这些地区的供电问题。5.1西北地区太阳能资源分析我国的太阳能资源，根据接受太阳辐射能的大小大致可以划分为五类地区：一类地区：全年日照时数为3200～330O小时，辐射量在670～837x104kJ／cm2•a。相当于225～285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。这是我国太阳能资源最丰富的地区。二类地区：全年日照时数为3000～3200小时，辐射量在586～670x104kJ／cm2•a，相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区为我国太阳能资源较丰天水师范学院毕业论文富区。三类地区：全年日照时数为2200～3000小时，辐射量在502～586x104kJ／cm2•a，相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。四类地区：全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在419～502x104kJ／cm2•a。相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。五类地区：全年日照时数约1000～1400小时，辐射量在335～419x104kJ／cm2•a。相当于115～140kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。西北地区属于一、二、三类地区，年日照时数大于2000h，辐射总量高于586x104kJ／cm2•a，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，具有利用太阳能的良好条件。这就为太阳能光伏LED照明在西北地区的大力推广提供了有力的条件。5.2应用现状及面临问题我国的光伏地面应用开始于20世纪70年代，90年代后发展迅速。在西北地区已建成的有由多边援助项目支持的新疆78000户家庭的太阳能光伏发电系统。此外还有由国家计委制定的“中国光明工程”，该工程计划在五年之内在西部七省分别推广178万户，2000个村落和200套站用太阳能光伏系统。但缓慢的发展现状告诉我们，太阳能光伏LED照明在西北地区的应用仍存在这重重困难。首先，在西北地区应用太阳能光伏LED照明技术，在有公共电网的地方可以采用并网发电的模式。但在无电网的边远地区和人口分散地区需要独立运行的光伏发电系统，该系统需要有蓄电池作为储能装置，整个系统造价很高。对于这一问题的解决需要国家财政的大力扶持。当然我们国家已经在这方面采取了一些行动，如由原国家计委制定的总投资100亿元的“中国光明工程”，计划利用太阳能光伏、风力等可再生能源技术，在2010年解决边远地区2300万人的用电问题。其次，目前太阳能电池的转化率很低不到18%【4】。而一般来说，光线越强，产生的电能就越多。所以一方面根据作者的浅见可用活动支架来支撑太阳能电池板。在电池板两边配备两个光敏元件，通过控制系统可以使电池板随光线的转移而改变方向，提高对光线的接受率。另一方面，为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射，将光能转变为电能，